2018年9月24日《Nature Materials》在線發(fā)表了北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院陳華偉教授、張德遠(yuǎn)教授與化學(xué)學(xué)院江雷院士等的合作研究成果“Ultrafast water harvesting and transport in hierarchical micro-channels”。該研究發(fā)現(xiàn)并揭示了微納結(jié)構(gòu)表面上特殊高低棱結(jié)構(gòu)對液體超高速收集與傳輸原理，為機械表界面的仿生設(shè)計與生物制造奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。陳華偉教授為第一作者，陳華偉教授、江雷院士為通訊作者，北京航空航天大學(xué)為通訊單位。
液體高速傳輸在機械、電子與新能源等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值，如何提升液體傳輸能力一直是重要研究課題。捕蟲植物的優(yōu)異濕滑機制引起了研究團隊的關(guān)注，對瓶子草（學(xué)名：Sarracenia）蓋子上的細(xì)長絨毛液體收集與傳輸開展了系統(tǒng)研究。通過觀測發(fā)現(xiàn)瓶子草絨毛通過收集空氣中的潮濕水氣來維持表面的濕滑特性，其集水傳輸速度比現(xiàn)有的仙人掌刺、蜘蛛絲提高了三個量級。
研究團隊深入分析了絨毛的表面微觀結(jié)構(gòu)特征，首次發(fā)現(xiàn)了特殊的高低棱多級微納溝槽結(jié)構(gòu)，即相鄰高棱間分布3~5個低棱（圖1）。在此高低棱多級微納溝槽結(jié)構(gòu)上，液體在表面干濕狀態(tài)下會相繼出現(xiàn)兩種不同的輸送模式。當(dāng)多級微納表面結(jié)構(gòu)處于干燥狀態(tài)時，液體傳輸主要依靠固-液接觸產(chǎn)生的毛細(xì)力，此時液體傳輸模式與仙人掌刺、蜘蛛絲相類似，表現(xiàn)為大液滴移動方式，即傳輸模式I（圖2a-c）。由于高低棱溝槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)力呈梯度分布，傳輸模式I下的液體傳輸速度也不盡相同，呈現(xiàn)出快、慢速度梯度。而當(dāng)高低棱溝槽結(jié)構(gòu)潤濕后，一層穩(wěn)定的水膜會維持在表面上，降低三相接觸線，避免后續(xù)液體與絨毛固體表面直接接觸，液體傳輸動力就變?yōu)橐?/span>-液接觸的超滑毛細(xì)力，顯著降低后續(xù)液體傳輸阻力，加速了后續(xù)的液體傳輸，即傳輸模式II（圖2d-f）。研究團隊還通過光刻技術(shù)制造出相應(yīng)的仿生微納結(jié)構(gòu)（圖3），驗證了微納高低棱結(jié)構(gòu)的高速液體傳輸性能，并基于Lucas-Washburn原理、Onsager原理與邊界滑移理論分別建立了兩種傳輸模式的理論模型。進一步揭示了高低棱多級微納結(jié)構(gòu)參數(shù)對超高速傳輸?shù)挠绊懸?guī)律，提出超高速輸送高低棱結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計準(zhǔn)則。研究成果可應(yīng)用于微流體芯片、高效散熱結(jié)構(gòu)、液體收集與海水淡化裝置等亟需高速液體收集與傳輸?shù)念I(lǐng)域。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金杰青項目（51725501）、重點項目（21431009）等的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0171-9
圖1 瓶子草特殊高低棱微納結(jié)構(gòu)
圖2 液滴高速傳輸過程
圖3 液體超高速輸送仿生結(jié)構(gòu)
